水系鋅離子電池的原理、組裝與應用

王子野 李國華

摘 要： 鋅離子電池由于其良好的環境兼容性、極高容量密度、低廉的價格和很高的安全性，被認為是今后大規模能量儲存的方向。本文介紹了鋅離子電池的原理及其裝配基本步驟。

關鍵詞： 鋅離子電池;電解液;集流體;能量存儲

在能源問題日益凸顯的今天，怎樣選擇一個良好的能量儲存載體越來越成為一個全球學者都關注的熱點。包括智能手機在內的移動通訊存儲設備，絕大多數使用的已經是鋰離子電池，電動摩托車、電動汽車、電動自行車產業對于電池的需求也越來越旺盛，在未來的儲能領域，高容量電池也必將大放光彩。然而鋰離子電池帶來便捷的同時，它同樣具有極大的安全隱患和潛在的危險，經常發生的鋰離子電池的爆炸和爆燃意外給使用者的財產甚至生命安全帶來了極大的安全隱患和威脅。而鋅離子電池具有著鋰離子電池不具備的水系電解液，從而良好的安全被人們認為是鋰離子電池的替代發展方向。

1 鋅離子電池的原理

近些年來，人們研究的可充電二次鋅離子電池使鋅電極的應用擴展到中性電解液體系，主要代表活性物質為錳系和釩系正極材料構成的鋅離子電池。在二氧化錳和二氧化釩中，錳和釩離子具有多價態離子儲存，研究表明納米二氧化錳的大隧道和釩的層狀結構非常利于儲存鋅離子，以及二價的堿土金屬陽離子，Zn2+在大隧道的錳材料和層狀釩材料中，具有可逆并且快速的嵌入和脫出行為，另外Zn2+可以在含 Zn2+的中性電解液（如硝酸鋅、硫酸鋅或氯化鋅）中可逆并且快速的沉積和溶解。基于鋅離子在正極和電解液中的以上行為為原理，構成了一種可充電二次鋅離子電池（簡稱 ZIB）。電化學相關分析表明，基于這種原理的新型可充電鋅電池同時具有很高的功率密度和能量密度，在未來作為鋰離子電池的取代者有很廣的應用前景。

鋅離子電池以層狀釩系材料以及大隧道錳系化合物為正極材料，以金屬單質鋅（鋅片或鋅粉）為負極材料，玻璃纖維膜為隔膜，以含鋅離子的硝酸鋅、硫酸鋅或氯化鋅為電解液，相關原理圖如下圖所示。

2 鋅離子電池實驗室的組裝和制備

實驗室用鋅離子電池的組裝由以下五部分構成：電池殼（包括彈片和墊片）、正極材料、負極材料、隔膜和電解液。

電池殼我們這里使用2032型不銹鋼電池殼，附帶一個1.5mm的墊片和彈片。

正極材料由活性物質、科琴黑（或乙炔黑）、PVDF和NMP構成，制備方式為：活性物質合成以后，將其與科琴黑、PVDF以8：1：1質量比放入瑪瑙研缽中充分研磨1小時，加入60質量比的NMP后磁力攪拌36小時后涂覆在集流體上。集流體可選擇不銹鋼網，涂覆厚度約為15μm，隨后放入真空干燥箱中在真空環境下120攝氏度干燥18小時后切片備用。

負極材料為99.99%純度的鋅片，厚度1mm，裁成圓形裝片。隔膜我們選用whatman GF/A玻璃纖維膜。

電解液可選的種類和濃度有很多，如硝酸鋅、氯化鋅和硫酸鋅等。經過對比實驗，我們發現最有利于循環穩定和容量提升的是硝酸鋅電解液。在濃度方面有1-3mol/L范圍可選，經試驗對比發現，最佳濃度為2.3mol/L附近。

按上述材料備好后我們按照：正極電池殼-彈片-墊片-鋅片-電解液-隔膜-電解液-活性物質-負極電池殼順序安裝電池后，使用壓機壓緊后制備完成。制備完成后的電池可經各電流大小的普通循環及倍率循環測試其性能，參照其CV、阻抗等數據綜合評價該活性物質的性能。

3 結語

鋅離子電池應用的優勢很明顯，它具有很高的安全性、極低的成本、環保性好、高能量高功率密度、大功率充放電性好等優良特性，且具有著很強的創新性，但是在研究過程中，我們發現它也存在一些不足，比如循環容量衰減較快，倍率循環性能不夠穩定，易出現“鼓包”，鋅枝晶的生長會刺破隔膜等問題，這些問題從各方面限制和影響了鋅離子電池的性能，影響了鋅離子電池的大規模生產和應用。然而目前研究者們對于鋅離子電池的測試和研究還處于起步不成熟的階段，對其容量衰減機理和解決辦法的研究正在進行，對鋅電極電化學行為的認識比較少，因此有必要從機理上分析鋅離子電池的容量衰減、性能降低的原因，從電極材料的角度對鋅電極的電化學行為做進一步研究。之后根據初步分析的原因，針對性地采用電極添加劑、電解液添加劑等多種方法改善鋅電極的電化學性能，提高鋅離子電池的放電性能和循環性能，以促進鋅離子鋅電池的進一步開發和應用，這對儲能器件的發展也有重要的意義。

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